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1、低噪聲放大器設計報告學生姓名：李江江學號：201221040234單位：物理電子學院一、技術指標：頻率：5.25GHz~5.55GHz噪聲系數：小于0.5dB(純電路噪聲系數不考慮連接損耗)增益：大于20dB增益平坦度：每10MHZ帶內小于0.1dB輸入輸出駐波比：小于2.0輸入輸出阻抗：50二、理論分析低噪聲放大器(LNA)在接收機系統(tǒng)中處于前端,主要作用是放大接收到的微弱信號,降低噪聲干擾。LNA的設計對整個接收機性能至關重要,其噪聲系數(NF)直接反映接收機的靈敏度。隨著通訊、雷達技術的發(fā)展,對微波低噪聲放大器也提出了更為嚴格的要求。
2、利用微波電路CAD設計軟件,結合可靠的LNA設計理論來進行電路設計，可以避開復雜的理論計算,極大地提高設計準確性和效率，有效縮短研制周期,降低成本。(ADS)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎上發(fā)展完善的大型綜合設計軟件，它功能強大，能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設計，廣泛應用于通信、航天等領域，是射頻工程師的得力助手。本文著重介紹如何使用ADS進行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設計。LNA的性能指標主要是噪聲系數、增益、工作頻帶、電壓駐波比和帶內平坦度等，尤其是噪聲系數和增益對整機性能影響較大。要實現理想功率傳輸，
3、必須使負載阻抗與源阻抗相匹配,這就需要插入匹配網絡。放大管存在最佳源阻抗Zsop,tLNA的輸入端應按Zsopt進行匹配,此時放大器的噪聲系數為最小。而為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比,輸出端則采用輸出共軛匹配。如果增益不夠，則需要采用多級放大電路。原則上前級放大器相對注重噪聲系數性能，后級放大器則相對注重增益性能。也就是說，輸出端口和級間針對增益最大和平坦度進行匹配電路設計。LNA低噪聲放大器的主要指標如下：1.工作頻率與帶寬2.噪聲系數3.增益4.放大器的穩(wěn)定性5.輸入阻抗匹配6.端口駐波比和反射損耗一、設計過程：（1）直流分析
4、晶體管S參數的測量并確定工作點。利用ADS的S參數仿真在所需要的頻帶內求出低噪管的S參數，并與手冊所提供的S參數對比，通過調整柵源電壓VGD不斷修正S參數最終得到合適的偏置電路。圖1偏置電路圖圖2直流掃描綜合上述分析，選擇晶體管直流設計為VDS=2V，IDS=10mA。2偏置電路設計依據ADS里直流偏置的仿真，取Id=10mA，Vds=2V，此時Vgs=-0.35V左右。這種無源偏置電路容易理解，不像有源電路那么復雜。和單電壓供電的自偏壓電路相比，這種電路要提供雙電壓。但是由于自偏壓電路會引入反饋，這個反饋在穩(wěn)定工作點的同時也降低了增益，加
5、大了噪聲，所以沒有采用自偏壓電路。偏置電路原理如下圖所示。圖3偏置電路原理圖圖4穩(wěn)定性判斷電路原理圖3穩(wěn)定性的判斷穩(wěn)定性的判斷可以通過K-?公式或源端和負載端穩(wěn)定系數圓來判斷，前者通常用來判斷放大器是否處于絕對穩(wěn)定的情況。對于低噪聲放大器的第一級，主要性能是以降低噪聲系數為目標的，故常處于條件穩(wěn)定的情形，而設計最大增益放大器時采用雙端共軛匹配，這時候射頻電路必須處于絕對穩(wěn)定才能保證復數共軛同時成立。判斷穩(wěn)定性的方法有很多，我們只要選一種就可以了。原理圖如圖4如示，ADS仿真的結果中的表格可以看出K<1，B1>0，所以放大器是不穩(wěn)定的。圖5A
6、DS仿真結果在源極添加一個小電感，引入負反饋，使放大器工作在穩(wěn)定區(qū)。最后替換為一節(jié)微帶線。圖6源極添加一個小電感后的電路圖圖7替換為微帶后的電路圖圖8最終仿真結果圖9穩(wěn)定后的電路圖4匹配設計設計匹配網絡的方法很多，有圖解法，計算機輔助設計法等。ADS提供了多種方便快捷的匹配網絡設計工具，如無源電路的smith圓圖、集總參數元件、、微帶雙枝節(jié)等多種智能元件，本文利用ADS的微帶單枝節(jié)綜合工具很清晰方便的實現自動匹配網絡設計。利用ADS所提供的這種智能元件進行阻抗匹配設計，最后自動生成子網絡。使用史密斯圓圖工具經過調整后達到匹配。由于匹配電路的
7、拓撲結構多樣，應選擇一種簡單且便于實際工程設計的網絡結構，本文采用由微帶單枝節(jié)元件構成的網絡，如下圖所示為自動生成的一種匹配電路拓撲結構，從中可以觀察其反射系數在工作頻帶的頻率響應曲線，所生成的放大器輸出子網絡，可以直接添加或復制到原理圖中。圖10匹配電路拓撲結構單級優(yōu)化在5.25GHz到5.55GHz的頻段上，輸入輸出駐波比小于2，增益在10dB到14dB之間，噪聲系數nf（2）小于0.8dB，穩(wěn)定系數Mu1大于1.（選取射頻介質基板的參數為：介電常數εr=2.2,基板厚度H=0.508mm。）圖11S21S11圖兩級級聯優(yōu)化為了進一步改
8、善低噪聲放大器的增益、增益平坦度及穩(wěn)定性，可以采用多級放大器級聯的形式滿足需求。本文所選擇的低噪管具有很低的噪聲系數和較高的1dB壓縮點，在仿真中直接將兩級相同的單級放大器通過耦
